Stellar-40 Інерційна навігаційна система тактичного класу

---

Dead reckoning — це метод навігації без сигналів GNSS, який покладається на інерцію та дані інших датчиків для підтримки безперервного відстеження. Зазвичай, коли сигнал GNSS втрачається, система повністю втрачає свою позицію. Завдяки dead reckoning система обчислює безперервну позицію, яка з часом повільно дрейфуватиме. Швидкість цього дрейфу залежить від якості внутрішнього IMU та наявності зовнішніх допоміжних датчиків.

Stellar-40 використовує наш власний протокол sbgECom, який застосовує чітко визначені кадри повідомлень. Використовуючи ці попередньо визначені повідомлення, система може безперешкодно отримувати аеронавігаційні дані, швидкості тіла та дані про абсолютне положення від будь-якого зовнішнього датчика, здатного надавати таку інформацію.

Ні, оскільки це не потрібно. Удосконалений алгоритм злиття даних датчиків Stellar-40 автоматично розраховує та оцінює умови вітру в реальному часі, усуваючи необхідність ручного введення.

Для наземних платформ Stellar-40 підтримує різноманітні допоміжні вхідні дані для підвищення точності навігації, особливо в умовах GNSS-denied. Вони включають апаратні одометри (колісна одометрія), допоміжні дані швидкості від зовнішніх датчиків (таких як LiDAR або оптичні датчики) та допоміжні дані абсолютної позиції.

Правильний вибір залежить від вашого робочого середовища. Ми настійно рекомендуємо демпфовану версію для платформ, що піддаються впливу суворих вібраційних середовищ, таких як ударні дрони великої дальності або безпілотні наземні транспортні засоби (UGV). Якщо ви не впевнені, яка версія підходить для вашого застосування, наша служба підтримки готова допомогти вам зробити правильний вибір.

Що таке SBAS?

Система доповнення на основі супутників (SBAS) — це технологія розширення GNSS, яка покращує точність, цілісність, доступність і безперервність супутникового позиціонування. Спочатку розроблена для підтримки авіації, SBAS стала цінним навігаційним помічником для таких застосувань, як БПЛА, морська навігація, точне землеробство, GIS-картографування, автономні транспортні засоби та інерціальні навігаційні системи (INS). На відміну від кінематики в реальному часі (RTK) або точного позиціонування в реальному часі (PPP), SBAS забезпечує безкоштовне позиціонування на рівні метрів без необхідності використання локальної базової станції чи підключення до Інтернету.

Автономний GNSS визначає своє місцезнаходження шляхом вимірювання псевдодальностей до супутників, що входять до таких супутникових систем, як GPS, Galileo, GLONASS або BeiDou. Однак на ці вимірювання впливають кілька джерел похибок, зокрема дрейф годинника супутника, похибки орбіти (ефемериди), іоносферна затримка, тропосферна затримка, шум приймача та багатопроменеві відбиття. Система SBAS постійно оцінює найбільші з цих похибок і транслює поправки в режимі реального часу, що значно покращують навігаційне рішення.

Архітектура SBAS базується на мережі ретельно виміряних опорних станцій, розташованих по всьому регіону. Ці станції безперервно відстежують GNSS і порівнюють виміряні відстані до супутників із їхніми відомими координатами, щоб оцінити похибки годинника супутника, орбіти та іоносфери. Вимірювання передаються до головних центрів управління, які об’єднують дані з усіх опорних станцій для формування корекційних повідомлень та інформації про цілісність. Потім ці повідомлення передаються на геостаціонарні супутники, які ретранслюють їх на GNSS з підтримкою GNSS . Приймач застосовує ці поправки перед обчисленням свого положення, що дозволяє ефективно зменшити вплив основних джерел похибок, які впливають на вимірювання псевдодальності.

З математичної точки зору скоригований псевдодальність можна виразити таким чином:

Pвиправлено​ = Pвиміряне​ − Δгодинник ​− Δорбіта​ − Δіоно​

де Pвиміряне — це початкове значення псевдодальності, Δгодинник позначає поправку на годинник супутника, Δorbit​ — це орбітальна поправка, а Δiono — це поправка на іоносферну затримку.

Ці поправки, як правило, зменшують похибки GNSS позиціонування в автономному режимі GNSS з приблизно 3–10 метрів до близько 1–2 метрів. Хоча цей рівень точності нижчий за сантиметрову точність, що досягається за допомогою RTK або PPP, SBAS має важливу перевагу: моніторинг цілісності. Замість того, щоб просто підвищувати точність визначення положення, SBAS постійно оцінює стан кожного супутника, що перебуває під наглядом, і оперативно попереджає користувачів, якщо супутник стає ненадійним через аномалії годинника, орбітальні похибки або погіршення якості сигналу. Ця функція є надзвичайно важливою для застосувань, де безпека має вирішальне значення, і користувачі повинні знати, чи можна довіряти навігаційному рішенню.

У різних куточках світу функціонують кілька регіональних служб SBAS. До них належать WAAS у Північній Америці, EGNOS у Європі, MSAS у Японії, GAGAN в Індії, SDCM у Росії, KASS у Південній Кореї та SouthPAN в Австралії та Новій Зеландії. Сучасні багаточастотні приймачі GNSS, як правило, автоматично підтримують кілька служб SBAS залежно від свого географічного розташування.

Для інерціальних навігаційних систем SBAS забезпечує більш точне та надійне посилання GNSS, що покращує роботу злиття датчиків. Розширений фільтр Калмана (EKF) використовує скориговані вимірювання положення та швидкості GNSS для періодичного обмеження дрейфу, накопиченого інерціальними датчиками. Порівняно з автономною GNSS, SBAS зменшує шум вимірювань та похибки, пов'язані із супутниками, що призводить до більш стабільних оновлень положення та швидкості, забезпечуючи водночас цінну інформацію про цілісність для навігаційних алгоритмів. Однак SBAS не збільшує частоту оновлення GNSS і не може компенсувати перебої в роботі GNSS. Під час перебоїв у сигналах загальна ефективність навігації все одно залежить переважно від якості IMU та ефективності алгоритму оцінки INS.

Отже, SBAS є чудовим рішенням для застосувань, що вимагають безкоштовного, доступного в усьому світі позиціонування з точністю до метра, яке характеризується високою надійністю та цілісністю. Ця система особливо добре підходить для автономних транспортних засобів, безпілотних літальних апаратів (БПЛА), морської навігації, сільського господарства та промислових систем, де надійна навігація є важливішою, ніж досягнення точності на рівні сантиметра. У випадках, коли застосування вимагають позиціонування геодезичного класу, RTK або PPP залишаються кращими методами корекції, тоді як SBAS слугує надійним і широко доступним доповненням до традиційної GNSS .

Як інерційні навігаційні системи підтримують визначення координат під час збою системи « GNSS »

1 – Інерційні навігаційні системи та інтеграція з системою « GNSS »

Інерційна навігаційна система (INS) визначає положення, швидкість та орієнтацію на основі даних інерційних вимірювань, отриманих на борту. В основі системи лежить інерційний вимірювальний блок (IMU), що поєднує три акселерометри та три гіроскопи. Акселерометри вимірюють питому силу, а гіроскопи — кутову швидкість вздовж трьох ортогональних осей.

Навігаційний комп'ютер обробляє ці вимірювання з високою швидкістю. Спочатку він інтегрує дані гіроскопа, щоб оцінити зміни положення літального апарата. Потім він перетворює виміряне прискорення в навігальну систему відліку та компенсує вплив гравітації та інших відомих факторів. Нарешті, він інтегрує прискорення, щоб оцінити швидкість і положення. Цей процес дозволяє системі « INS » отримувати безперервне навігаційне рішення без використання зовнішніх сигналів.

Коли доступна система « GNSS », система « INS » зазвичай працює як частина інтегрованого рішення «GNSS » / «INS ». Система « GNSS » забезпечує зовнішню систему відліку для визначення положення та швидкості, тоді як система « IMU » забезпечує вимірювання руху з високою частотою. Навігаційний фільтр поєднує обидва джерела для оцінки стану транспортного засобу та обмеження інерційних похибок.

Коли сигнали від системи « GNSS » стають недоступними, система переходить у режим інерційного поширення, який часто називають « dead reckoning ». Система « INS » продовжує інтегрувати дані гіроскопа та акселерометра, починаючи з останнього відомого стану навігації. Завдяки цьому вона може забезпечувати безперервне виведення даних про положення, швидкість та орієнтацію під час перебоїв у сигналі.

Однак інерційна навігація не усуває похибки визначення положення під час збою. Похибки зміщення датчиків, шум, похибки коефіцієнта масштабування, розбіжність осей та інші недоліки накопичуються в процесі інтегрування. Зокрема, похибки акселерометра впливають на швидкість, а відтак і на положення, тоді як похибки гіроскопа впливають на орієнтацію і можуть спричиняти додаткові похибки положення через неправильну компенсацію гравітації.

Отже, тривалість і масштаб перерви в роботі датчика « GNSS » безпосередньо впливають на ступінь невизначеності положення. Інерційні датчики з вищими технічними характеристиками зменшують зростання похибки та дозволяють системі витримувати триваліші перерви в роботі, перш ніж накопичений дрейф стане значним.

Маючи майже два десятиліття досвіду в розробці та виробництві інерційних датчиків, компанія « SBG Systems » розробляє технології IMU та INS , призначені для забезпечення надійної навігації у випадках, коли доступність GNSS обмежена або перервана.

2 – Фільтрація за Калманом та об’єднання даних датчиків

Фузія датчиків дозволяє системі GNSS/INS об’єднувати вимірювальні дані з різними характеристиками. IMU забезпечує безперервні вимірювання з високою частотою, але з часом накопичує похибки. GNSS надає абсолютну точку відліку положення, але може стати недоступним або оновлюватися рідше. Навігаційний фільтр поєднує ці взаємодоповнюючі характеристики для оцінки стану транспортного засобу.

Для такого типу оцінювання стану широко застосовується фільтр Калмана. У практичних додатках INS система зазвичай використовує розширений фільтр Калмана (EKF), оскільки рівняння, що описують рух і орієнтацію транспортного засобу, є нелінійними. EKF підтримує оцінку навігаційного стану та його невизначеності, обробляючи вимірювання від наявних датчиків.

Цей процес складається з двох основних етапів: прогнозування та оновлення вимірювань.

Під час прогнозування фільтр використовує попередній стан навігації та останні вимірювання IMU для оцінки наступного стану. Він також поширює пов’язану з цим невизначеність. Під час оновлення вимірювань фільтр порівнює наявні зовнішні вимірювання з прогнозованим станом. Потім він використовує різницю, або інновацію, для оновлення оцінки стану та зменшення її невизначеності.

У системі типу « GNSS » / «INS » вимірювання типу « GNSS » забезпечують зовнішні спостереження, що обмежують інерційний дрейф. Фільтр також може оцінювати такі параметри, як похибки акселерометра та гіроскопа, якщо модель системи та наявні вимірювання дозволяють визначити ці параметри.

Це важливе розрізнення: фільтр Калмана не просто усуває всі похибки з усіх бортових датчиків. Натомість він оцінює стан навігації та відповідні стани похибок на основі математичної моделі та наявних вимірювань. Залишкові похибки залишаються, оскільки недосконалості датчиків, неточності моделі та непомітні збурення неможливо повністю усунути.

Коли GNSS стає недоступним, фільтр може продовжувати поширення навігаційного рішення з використанням інерційних вимірювань. Однак без зовнішніх спостережень система має менше можливостей для обмеження своїх станів похибки. Відповідно, невизначеність зростає у міру продовження перебоїв у роботі. Коли вимірювання GNSS знову стають доступними, фільтр порівнює їх з інерційним рішенням і використовує отриману інновацію для коригування оціненого стану та накопичених похибок. Це дозволяє системі GNSS/INS плавно переходити між навігацією з використанням GNSS та інерційним поширенням.